智能考种系统介绍

一、设备定义与学术定位

托普云农智能考种分析系统（TPKZ系列及全项目智能考种分析系统）是由浙江托普云农科技股份有限公司研制的科研级种子及果穗表型检测设备。该仪器以机器视觉技术与卷积神经网络（CNN）深度学习算法为核心，通过非接触式高清背光成像获取作物籽粒、果穗、豆荚及根系的数字化图像，经图像分割、形态学运算与特征提取，自动解算数量、粒型参数、千/百粒重、果穗形态及籽粒品质分级等考种指标，将传统依赖游标卡尺与人工计数的主观经验性考种转化为客观、可重复、高通量的数字化表型数据采集过程，属现代作物遗传育种、种子质量检验及植物表型组学研究中的关键分析工具。

二、测量原理与图像处理算法

透射式背光均匀成像：散粒籽粒或完整果穗平铺于带物理标定的超薄透光背光板上，利用透射式均匀LED背光消除籽粒表面阴影与镜面反光，配合工业级CCD/CMOS相机获取前景清晰、背景均一的俯视数字图像。

自适应阈值分割与粘连分离：采用Otsu最大类间方差法自动区分目标籽粒与背景；对相互接触的粘连颗粒运用凹点匹配策略与分水岭算法进行切割分离，实现单粒水平独立标识与参数解算。

形态学特征重构与像素当量标定：基于数字图像像素当量标定，对每粒种子计算最小外接矩形，提取粒长、粒宽、长宽比、投影面积、周长、圆度及等效直径；结合同步输入的质量数据按统计学方法推算千粒重（TKW）与百粒重。

深度学习分类与迁移学习：经预训练种子图像数据集微调卷积神经网络，使系统可按颜色空间（RGB值）与几何特征自动判别饱满粒、瘪粒、破损粒、霉变粒及异型粒，并支持用户导入本地样本进行迁移学习以提升特定作物识别准确率。

果穗极坐标变换解析（玉米专用模块）：对整穗及横截面图像进行边缘检测与极坐标变换，自动测算穗长、穗粗、秃尖长、穗行数、行粒数、轴粗及截面粒长/粒宽分布。

三、硬件系统构成

高清成像单元：千兆网口或USB3.0接口工业级高拍仪/CCD相机，配合A3或更大幅面超薄均匀背光光源板，内置自动畸变校正与物理标定标尺。

一体化称重背光模块：背光板下方或旁置高精度电子天平，称量数据经串口/蓝牙实时传输至分析软件，用于千/百粒重自动换算；称重台可独立作为实验室天平使用。

种子承载与标定托盘：带刻度与定位标记的透明托盘，确保每次拍摄视野一致、像素标定可靠，防止籽粒滚动叠压。

可选扩展组件：近红外水分测定仪、条码/二维码扫描枪、热敏打印机及种子萌发根系分析附件。

四、核心功能

1.种子发芽率分析：通过图像识别，在专用培养装置内直接分析种子数量、发芽数，并对发芽情况进行精准标记。

2.水稻结实率分析：能精准显示种粒外接矩形，得出空粒数，实粒数，结实率百分比数据，并可直接标记空粒、实粒，显示各籽粒粒型数据（长、宽、长宽比、面积、周长），可预设水稻粳粒结实率模型和水稻籼粒结实率模型，并支持根据自己的品种重新学习建模。

3.玉米整穗分析：全项目智能考种分析系统可自动计算出玉米果穗的穗长、穗粗、秃尖长、左右穗缘角、穗行角、平均行粒数、粒厚、截面穗行数、穗粗、轴粗，颜色以及其平均值。

4.玉米截面分析：可测出各玉米截面上的粒长、粒宽、颜色（RGB具体数值表示）、粒高等参数，一次性最少可测15个截面。

5.自带黑玉米成像套件：可自动测出黑玉米的穗长、穗粗、秃尖长、左右穗缘角、穗行角、平均行粒数、粒厚、截面穗行数、穗粗、轴粗，以及其平均值，可自动测出各黑玉米截面上的平均粒长、平均粒宽等参数。

6.粒型指标分析：可用于≥30种水稻、小麦、玉米、大豆、高粱、谷子、油菜，蔬菜、花卉等同粒型种子的粒型指标分析，可对每一粒籽粒分析计算，分析种子的详细结果：自动检测单粒种子的粒型参数（长、宽、长宽比、面积、周长）。也可分析各类种子总结果：所有种子的总粒数、千粒重/百粒重、粒色、平均值（长、宽、长宽比、面积、周长）、标准差，半自动检测容重、水分，并可并输出种子大小排列对比图

7.豆荚表型分析：可用于测定≥5种毛豆、蚕豆、豌豆等作物的果身、果柄等表型指标，支持单次测量≥50个毛豆豆荚，可自动分析豆荚数量、豆荚粒数、豆荚重、果身长、果身粗、果身周长、果身面积、果身凸弧长、果身凹弧长、果身弦长、果身弦高、果身弯曲度、果身弯曲夹角、果柄长、果柄粗、果柄周长、果柄投影面积等参数；支持对豆荚测量端点、果柄、豆荚粒数等进行修正，适用于扫描仪或高拍仪获取的图片。

8.瓜果表型分析：用于测量西瓜切面的瓜瓤、瓜皮等果形指标，可自动分析切面横径、切面纵径、果形指数、切面周长、切面面积、瓜皮厚度、瓜皮面积、瓜瓤面积、瓜瓤空洞面积、颜色以及瓜重等果形参数，软件支持圆形水果表型测定，也可支持定制其它园艺作物果实切面表型指标。常用于西瓜果实育种、西瓜关键基因定位、逆境胁迫、西瓜表型指标测定等领域。

9.种子萌发和根系分析测定：常用于种子活力、种子发芽率、种子品质性状研究、基因育种、基因定位等研究领域，可用于单次自动识别≥30粒黄豆、绿豆等种子发芽后的胚轴长（芽长）、根长、种子发芽率等参数。

10.考种背光板和称重模块一体化设计：考种的同时能够直接对籽粒、果穗进行称重，重量数据通过接口传输，输入后自动换算成千/百粒重。

11.可视化称重台及多用途显示台： 称重台显示屏能够支持考种过程中对称量的种子重量进行直观感知，方便对称量种子粒数进行取舍。显示台既可以连接电脑直接读取种子重量，也可以单独作为天平使用（称重量程范围：0-5kg），称重台具有去皮、校准功能，能够减少测量误差，提高称量精度。

12.水分测定：通过水分测定仪，能得到谷物的水分含量，可将水分值输入系统中自动导出。

13.配套移动计数APP：可通过移动端计数，保存，查看历史数据，包含作物名称，品种信息，种子数量，测量时间等。可自定义新增作物名称，单个/批量品种添加，一键式选择通用/辅助算法。

14.智能对比：能精准显示种粒外接矩形，对不同品种的种子进行长和宽的对比，并输出排列、对比图。深度学习：根据颜色或是形状的不同对种子进行自学习和再学习，并实现自动分类识别。

15.辅助修正：用鼠标选择分割/合并，来对识别错误的种子进行修正，以确保*正确。

16.数粒速度：玉米籽粒为1500～3000粒/分钟，其它籽粒为1200-20000粒/分钟；精确度：数粒误差≤±0.5%，监视修正即达*正确，可分析各类种粒的直径1.0～20.0 mm。

17.称重量程范围：0-5kg；自动千粒重分析的精度误差：≤±0.5%。

18.中英文可一键式切换

19.目标区的个性化计数：对工作区视野中任选范围或矩形范围内的种子进行框选计数。

20.数据保存：图像结果可保存，自动形成总报表，可导出excel表，具有追加保存的功能。

21.数据打印：软件支持通过热敏打印机将分析数据打印出来。

22.支持数据上传至云平台，可以保存查看和下载数据。

23.数据同步：电脑网络连接正常时，自动同步至云平台，可以在云平台或手机APP上查看、分析、管理数据。

五、典型科研与应用场景

作物遗传育种与加代筛选：对代育种材料进行高通量单株脱粒考种，基于千粒重、粒型分布及粒重变异系数（CV）实施辅助选择，缩短优异基因型筛选周期。

种子质量检验与净度分析：按种子检验规程要求完成净度分析、真实性与品种纯度初步鉴定、发芽率配合图像标记及活力评估。

栽培生理与逆境研究：分析不同水肥、密植或胁迫处理下籽粒灌浆充实度、粒重分布偏移及空瘪粒率变化，解析栽培因子对产量组分的影响机制。

种质资源数字化建档：对入库种质进行图像—性状关联建库，为DUS测试（特异性、一致性、稳定性）及种质资源信息共享提供客观量化依据。

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